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技术文章:设定相位同调RF量测系统:从 MIMO 到波束赋形

National Instruments

RF

概览

自从传送出第一笔无线电波之后,工程师就持续发明新方法,以优化电磁微波讯号。RF 讯号已广泛用于多种应用,其中又以无线通信与 RADAR 的 2 项特殊应用正利用此常见技术。就本质而言,此 2 项应用的独到之处,即是利用电磁波的空间维度 (Spatial dimension)。直到今天,许多无线通信系统整合了多重输入/输出 (MIMO) 天线架构,以利用多重路径的讯号传播 (Propagation) 功能。此外,目前有多款 RADAR 系统均使用电磁波束控制 (Beam steering),以取代传统的机械控制传输讯号。这些应用均属于多通道相位同调 (Phase coherent) RF 量测系统的主要行进动力之一。 就本质而言,此 2 项应用的独到之处,即是利用电磁波的空间维度 (Spatial dimension)。直到今天,许多无线通信系统整合了多重输入/输出 (MIMO) 天线架构,以利用多重路径的讯号传播 (Propagation) 功能。此外,目前有多款 RADAR 系统均使用电磁波束控制 (Beam steering),以取代传统的机械控制传输讯号。这些应用均属于多通道相位同调 (Phase coherent) RF 量测系统的主要行进动力之一。

目录
1、相位同调 RF 讯号产生
2、相位同调 RF 讯号撷取
3、数字降转换的特性

介绍

PXI RF 仪器 (如 NI PXIe-5663 6.6 GHz RF 向量讯号分析器与 NI PXIe-5673 6.6 GHz RF 向量讯号产生器) 的模块化架构使其可进行 MIMO 与波束赋形 (Beamforming) 应用所需的相位同调 (Phase coherent) RF 量测作业。图 1 表示常见的量测系统,为 1 组 PXI-1075 - 18 槽式机箱中安装 4 组同步化 RF 分析器,与 2 组同步化 RF 讯号产生器。

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图 1. 常见的 PXI 相位同调 RF 量测系统

此篇技术文件将说明设定相位同调 RF 产生或撷取系统时,其所需的技术。此外,亦将针对多组 RF 分析器之间的相位延迟,逐步呈现校准作业,以达最佳效能。

1. 相位同调 RF 讯号产生

若要设定任何相位同调 RF 系统,则必须同步化装置的所有频率讯号。透过 NI PXIe-5673 - 6.6 RF 向量讯号产生器,即可直接进行升转换 (Upconversion),以将基频 (Baseband) 波形编译为 RF 讯号。图 2 即说明双信道 RF 向量讯号产生器的基本架构。请注意,在 2 个通道之间必须共享 2 组基频取样频率与局部震荡器。

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图 2. 同步化 2 个 RF 产生通道

在图 2 中可发现 NI PXIe-5673 共包含 3 个模块,分别为:PXI-5652 连续波合成器 (Synthesizer)、PXIe-5450 任意波形产生器,与 PXIe-5611 - RF 调变器。由于这些模块可合并做为单信道的 RF 向量讯号产生器,因此亦可整合其他任意波形产生器 (AWG) 与 RF 升转换器 (Upconverter),用于多信道的讯号产生应用。在图 2 中,共有 1 组标准的 PXIe-5673 (由 3 个模块所构成) 整合 1 组 NI PXIe-5673 MIMO 扩充组合。而扩充组合共容纳了 1 组 AWG 与调变器,可建构第二个讯号产生信道。

2. 相位同调 RF 讯号撷取

除了 PXIe-5673 - RF 向量讯号产生器之外,PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器亦可设定用于多通道应用。当设定多组 PXIe-5663 进行相位同调 RF 讯号撷取作业时,亦必须注意类似事项,以确实进行 LO 与基频/中频 (IF) 讯号的同步化。PXIe-5663 可利用讯号阶段 (Signal stage) 并降转换为 IF,亦可进行数字升转换为基频。与传统的 3 阶段式超外差 (Superheterodyne) 向量讯号分析器不同,此架构仅需于各个通道之间同步化单一局部震荡器 (Local oscillator,LO),因此为设定相位同调应用最简单的方法之一。若要同步化多组 PXI-5663 分析器,则必须于各组分析器之间分配共享的 IF 取样频率与 LO,以确保各个通道均是以相位同调的方式进行设定。图 3 则为双信道系统的范例。

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图 3. 同步化双信道的 VSA 系统

在图 3 中可看到 PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器是由 PXI-5652 连续波合成器、PXIe-5601 - RF 降转换器,与 PXIe-5622 - IF 示波器所构成。当向量讯号分析器整合 PXIe-5663 MIMO 扩充组合时,随即新增了降转换器与示波器,以建构双信道的 RF 撷取系统。

若要了解多组 RF 向量讯号分析器的同步化方法,则必须先行深入了解 PXIe-5663 - RF 讯号分析器的详细程序图。在图 4 中可看到,即便仅使用单一 LO 将 RF 降转换为 IF,则各组分析器实际亦必须共享 3 组频率。

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图 4. PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器的详细程序图
(责任编辑:ioter)

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